張 敏，張 林，王博玉，賈 芳，夏 拓

(西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

0 引 言

離心風(fēng)機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)中提供氣體動(dòng)力的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域[1]，其核心零部件葉輪的質(zhì)量直接影響風(fēng)機(jī)的服役壽命。目前，大多數(shù)葉輪采用焊條電弧焊工藝生產(chǎn)，其效率低下，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定[2]。風(fēng)機(jī)葉輪常用材料為25Cr2Ni4MoV調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，在焊接過(guò)程中存在接頭強(qiáng)韌性匹配較差的問(wèn)題。研究[3-4]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制焊縫金屬成分可以得到韌性好的組織，從而使高強(qiáng)鋼焊接接頭實(shí)現(xiàn)良好的強(qiáng)韌性匹配。因此，為了保證焊接葉輪質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，新型焊接材料的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。

鎳作為高強(qiáng)鋼中重要元素，可以通過(guò)固溶強(qiáng)化來(lái)提高鋼的強(qiáng)度。但是有研究[5]發(fā)現(xiàn)，鎳含量較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ms降低，殘余奧氏體增多，屈服強(qiáng)度降低。研究表明[6]，鎳元素的存在可以增加焊縫組織中貝氏體和馬氏體組織含量，從而提高接頭的強(qiáng)度，同時(shí)促進(jìn)針狀鐵素體的形成，從而改善接頭的低溫沖擊韌性。鎳含量過(guò)高時(shí)，焊縫組織中貝氏體和馬氏體含量增加對(duì)焊接接頭韌性的不利影響大于針狀鐵素體的細(xì)化作用和對(duì)韌性的改善作用，接頭韌性降低[7-9]?？芍?，鎳含量是控制焊接接頭強(qiáng)韌性的關(guān)鍵元素?；诖?，作者根據(jù)25Cr2Ni4MoV鋼的化學(xué)成分，設(shè)計(jì)了3種不同鎳含量的金屬型藥芯焊絲，對(duì)25Cr2Ni4MoV鋼板進(jìn)行熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊(MAG焊)，研究了藥芯焊絲鎳含量對(duì)接頭組織和性能的影響，以期為25Cr2Ni4MoV鋼焊接用金屬型藥芯焊絲的成分設(shè)計(jì)提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

母材為尺寸300 mm×500 mm×16 mm 的25Cr2Ni4MoV調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼板，化學(xué)成分見(jiàn)表1，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和室溫沖擊吸收功分別為781 MPa,1 125 MPa,16.6%，31 J。根據(jù)25Cr2Ni4MoV鋼的化學(xué)成分以及各合金元素對(duì)焊縫金屬冷卻凝固和相變過(guò)程的影響，采用Cr-Ni-Mo系作為金屬型藥芯焊絲的主合金系，同時(shí)添加微量元素錳、釩、鈮、硅和稀土元素等，設(shè)計(jì)了3種藥芯焊絲，其中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%，19%，23%，其他元素成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為5.5Cr,1(Si-Fe),3.25Mo,3.5Mn,1(V-Fe),1.1(Nb-Fe),0.5La2O3,余Fe。鉻、鉬元素具有固溶強(qiáng)化、增加淬透性及提高強(qiáng)度的作用；鉬、鈮元素能促進(jìn)焊縫組織形成針狀鐵素體，提高焊縫的沖擊韌性，并通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化提高接頭的抗拉強(qiáng)度[10]；稀土元素在結(jié)晶形核時(shí)可提供更多形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化晶粒，同時(shí)改善焊縫組織的形態(tài)，提高韌性[11]。以截面尺寸為7 mm×0.3 mm的Q235低碳鋼作為鋼帶，使用鋼帶成型軋拔法制備直徑為1.2 mm的金屬型藥芯焊絲，由于鋼帶的合金元素含量很少，因此焊縫金屬中合金成分主要來(lái)自藥芯。

表1 25Cr2Ni4MoV調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分

采用Panasonic弧焊機(jī)器人進(jìn)行多層多道MAG焊，保護(hù)氣體為體積分?jǐn)?shù)90%Ar+10%CO2，氣體流量為15～20 L·min-1，焊接坡口為V型坡口，焊接電流在226～270 A，焊接電壓為22.4～26.6 V，焊接速度為0.25 m·min-1。焊前進(jìn)行300～350 ℃的預(yù)熱，焊接時(shí)層間溫度保持在250～300 ℃，焊接結(jié)束后進(jìn)行400 ℃×(1～1.5) h +550 ℃×(4～5) h的去應(yīng)力退火處理。將采用鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，19%，23%藥芯焊絲制備的焊接接頭分別標(biāo)記為1#接頭、2#接頭和3#接頭。

在焊接接頭上沿垂直于焊縫方向截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用5 mL鹽酸+1 g苦味酸+100 mL水組成的溶液腐蝕后，采用OLYMPUS-GX71型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，采用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌，并用附帶的能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。按照GB/T 2651-2008，在焊接接頭上以焊縫為中心垂直于焊縫方向截取拉伸試樣，試樣標(biāo)距為25 mm，采用17HT-2402型電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·min-1，每組測(cè)3個(gè)平行試樣取平均值。按照GB/T 2650-2008，在焊接接頭上垂直于焊縫方向截取V型缺口沖擊試樣，缺口位于焊縫中心，采用NI750F型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，采用掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響

不同鎳含量下焊縫成形質(zhì)量均無(wú)明顯變化，因此以1#接頭為例進(jìn)行宏觀形貌觀察。由圖1可以看出，焊縫成形美觀，寬度均勻，與母材的過(guò)渡形式為魚(yú)鱗狀咬合波紋，焊縫中不存在氣孔、裂紋等缺陷?？芍煌嚭克幮竞附z制備的接頭焊縫成形質(zhì)量良好。

圖1 1#接頭焊縫表面和截面宏觀形貌Fig.1 Surface (a) and Section (b) macromorphology of 1# joint weld

2.2 對(duì)焊縫顯微組織的影響

由圖2可以看出，3種藥芯焊絲制備的接頭焊縫組織主要由板條馬氏體組成。1#接頭焊縫中馬氏體較粗大，其分布具有明顯的方向性；2#接頭和3#接頭焊縫組織中板條馬氏體較細(xì)小，且數(shù)量較多，其中2#接頭焊縫的馬氏體分布較均勻，而3#接頭焊縫的馬氏體具有一定的方向性，同時(shí)板條束有一定程度的長(zhǎng)大。

由圖3可以看出：2#接頭和3#接頭焊縫組織中除板條馬氏體(M)外，還觀察到貝氏體(B)以及針狀鐵素體(AF)，同時(shí)還存在一定量的球形夾雜物，EDS分析顯示為錳和硅的氧化物夾雜；與2#接頭焊縫組織相比，3#接頭焊縫馬氏體板條方向性更明顯，且組織較粗大。25Cr2Ni4MoV鋼焊接接頭中的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%，焊接熔池在冷卻時(shí)先完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體[12-13]，在過(guò)冷奧氏體冷卻過(guò)程中，貝氏體先在原奧氏體晶界形核且向晶內(nèi)生長(zhǎng)，隨冷卻過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，未轉(zhuǎn)變的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。組織中存在的夾雜物成為針狀鐵素體的形核核心，從而形成少量針狀鐵素體組織[13-14]。根據(jù)Andrews經(jīng)驗(yàn)公式[15]，隨著鎳含量的增加，貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度降低，因此在焊后冷卻過(guò)程中，焊縫中更容易形成貝氏體和馬氏體。2#和3#接頭熱影響區(qū)組織均由貝氏體和馬氏體組織組成，同時(shí)存在明顯的原奧氏體晶界，貝氏體組織一部分以針狀形式分布在原奧氏體晶粒內(nèi)，另一部分從原奧氏體晶界處向晶內(nèi)延伸生長(zhǎng)。原奧氏體晶粒內(nèi)部的針狀貝氏體會(huì)阻礙馬氏體轉(zhuǎn)變，抑制馬氏體組織長(zhǎng)大，進(jìn)而細(xì)化馬氏體組織。

圖3 2#接頭和3#接頭焊縫和熱影響區(qū)的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of heat (a-b) and heat affected zone (c-d) of 2# joint (a, c) and 3# joint (b, d)

2.3 對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

由表4可以看出，隨著藥芯焊絲中鎳含量的增加，焊接接頭的強(qiáng)度先升高后降低。這是由于隨著鎳含量的增加，鎳的固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)，同時(shí)板條馬氏體組織細(xì)化，因此接頭強(qiáng)度提高；但當(dāng)藥芯焊絲中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)19%時(shí)，焊縫中板條馬氏體組織粗化[6-7]，接頭強(qiáng)度又降低。隨著藥芯焊絲中鎳含量的增加，接頭的斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收功增大，說(shuō)明接頭的塑性和沖擊韌性提高，可能原因是針狀鐵素體組織對(duì)接頭韌性提高的作用大于馬氏體組織粗化的影響。針狀鐵素體的存在使焊縫組織中存在較多的大角度晶界，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展時(shí)路徑變長(zhǎng)，裂紋擴(kuò)展阻力增加，因此接頭具有更好的沖擊韌性[16]。2#接頭的強(qiáng)度最高，沖擊吸收功高于母材，計(jì)算得到2#接頭焊縫強(qiáng)度匹配系數(shù)為0.81，因此該焊接接頭屬于低強(qiáng)匹配。25Cr2Ni4MoV鋼的強(qiáng)度極高，焊接接頭達(dá)到等強(qiáng)匹配技術(shù)難度大，即使得到等強(qiáng)匹配焊接接頭，其塑韌性也會(huì)有一定程度降低，而采用低強(qiáng)匹配可得到較高韌性?xún)?chǔ)備，對(duì)接頭綜合性能有利。

表4 不同接頭的力學(xué)性能及拉伸斷裂位置

由圖4可見(jiàn)，不同接頭的沖擊斷口均存在大量韌窩，呈韌性斷裂特征，同時(shí)韌窩底部還存在球形夾雜物顆粒。1#接頭沖擊斷口上的韌窩較淺且存在少量解理小平面，2#接頭沖擊斷口中部分韌窩趨于扁平狀，相比于1#和2#接頭，3#接頭沖擊斷口中扁平狀韌窩減少且韌窩變深，韌窩凹凸明顯，表明接頭斷裂前發(fā)生的塑性變形最大，接頭塑性最好，與力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果相符合。

圖4 不同接頭沖擊斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of impact fracture of different joints: (a) 1# joint; (b) 2# joint and (c) 3# joint

3 結(jié) 論

(1) 不同鎳含量藥芯焊絲制備的接頭焊縫成形質(zhì)量好，焊縫寬度均勻，與母材間以魚(yú)鱗狀咬合波紋過(guò)渡。焊縫組織均由板條馬氏體、貝氏體及少量針狀鐵素體組成，當(dāng)藥芯焊絲中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由15%增加到19%時(shí)，焊縫中板條馬氏體細(xì)化，且分布更加均勻，而當(dāng)鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)19%時(shí)，板條馬氏體粗化，并呈一定方向性分布。鎳含量為19%23%時(shí)，接頭熱影響區(qū)組織均由貝氏體和馬氏體組成。

(2) 隨著藥芯焊絲中鎳含量的增加，接頭的強(qiáng)度先升高后降低，斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收功增加。當(dāng)藥芯焊絲中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%時(shí)，接頭具有最高的抗拉強(qiáng)度和較大的沖擊吸收功，分別達(dá)到920 MPa和48 J，此時(shí)接頭具有較好的強(qiáng)韌性匹配。